倒立擺課程設(shè)計--倒立擺系統(tǒng)的控制器設(shè)計-全文預(yù)覽
【正文】 ........................ 19 PID 控制器仿真 .............................................. 20 7 總結(jié)及心得體會 ...................................... 22 參考文獻 ................................................ 23 1 1 引言 倒立擺是機器人技術(shù)、控制理論、計算機控制等多個領(lǐng)域、多種技術(shù)的有機結(jié)合，其被控系統(tǒng)本身又是一個絕對不穩(wěn)定、高階次、多變量、強耦合的非線性系統(tǒng)，可以作為一個典型的控制對象對其進行研究。 將所 設(shè)計的控制器在倒立擺系統(tǒng)上 進行 實時控制實驗。 進行開環(huán)系統(tǒng)的時域分析。自動控制理論課程設(shè)計 倒立擺系統(tǒng)的控制器設(shè)計 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 班 級： 重慶大學(xué)自動化學(xué)院 二 O 一三年一月 課程設(shè)計指導(dǎo)教師評定成績表 項目 分值 優(yōu)秀 (100x≥ 90) 良好 (90x≥ 80) 中等 (80x≥70) 及格 (70x≥ 60) 不及格(x60) 評分 參考標(biāo)準(zhǔn) 參考標(biāo)準(zhǔn) 參考標(biāo)準(zhǔn) 參考標(biāo)準(zhǔn) 參考標(biāo)準(zhǔn) 學(xué)習(xí)態(tài)度 15 學(xué) 習(xí) 態(tài) 度 認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格保證設(shè)計時間并按任務(wù)書中規(guī)定的進度開展各項工作 學(xué)習(xí)態(tài)度比較認(rèn)真，科學(xué)作風(fēng)良好，能按期圓滿完成任務(wù)書規(guī)定的任務(wù) 學(xué)習(xí)態(tài)度尚好，遵守組織紀(jì)律，基本保證設(shè)計時間，按期完成各項工作 學(xué)習(xí)態(tài)度尚可，能遵守組織紀(jì)律，能按期完成任務(wù) 學(xué)習(xí)馬虎，紀(jì)律渙散，工 作 作 風(fēng)不嚴(yán)謹(jǐn) , 不能 保 證 設(shè)計 時 間 和進度 技術(shù)水平與實際能力 25 設(shè)計合理、理論分析與計算正確，實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，有很強的實際動手能力、經(jīng)濟分析能力和計算機應(yīng)用能力，文獻查閱能力強、引用合理、調(diào)查調(diào)研非常合理、可信 設(shè)計合理、理論分析與計算正確，實驗數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，有較強的實際動手能力、經(jīng)濟分析能力和計算機應(yīng)用能力， 文獻引用、調(diào)查調(diào)研比較合理、可信 設(shè)計合理，理論分析與計算基本正確，實驗數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，有一定的實際動手能力，主要文獻引用、調(diào)查調(diào)研比較可信 設(shè)計基本合理，理論分析與計算無大錯，實驗數(shù)據(jù)無大錯 設(shè) 計 不 合理，理論分析 與 計 算有 原 則 錯誤，實驗數(shù)據(jù)不可靠，實 際 動 手能力差，文獻引用、調(diào)查 調(diào) 研 有較 大 的 問題 創(chuàng)新 10 有重大改進或獨特見解，有一定實用價值 有較大改進或新穎的見解，實用性尚可 有一定改進或新的見解 有一定見解 觀念陳舊 論文(計算書、圖紙 )撰寫質(zhì)量 50 結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強，層次清晰，語言準(zhǔn)確，文字 流暢，完全符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計算機打印成文；圖 紙 非 常 工整、清晰 結(jié)構(gòu)合理，符合邏輯，文章層次分明，語言準(zhǔn)確，文字流暢，符合規(guī)范化要求，書寫工整或用計算 機打印 成文；圖紙工整、清晰 結(jié)構(gòu)合理，層次較為分明，文理通順，基本達到規(guī)范化要求，書寫比較工整；圖紙比較工整、清晰 結(jié)構(gòu)基本合理，邏輯基本清楚，文字尚通順，勉強達到規(guī)范化要求；圖紙比較工整 內(nèi)容空泛，結(jié)構(gòu)混亂，文 字 表 達不清，錯別字較多，達不 到 規(guī) 范化要求；圖紙 不 工 整或不清晰 指導(dǎo)教師評定成績： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 重慶大學(xué)本科學(xué)生課程設(shè)計任務(wù)書 課程設(shè)計題目 倒立擺系統(tǒng)的控制器設(shè)計 學(xué)院 自動化學(xué)院 專業(yè) 自動化 年級 2021 級 已知參數(shù)和設(shè)計要求： M：小車質(zhì)量 m：擺桿質(zhì)量 b：小車摩擦系數(shù) l：擺桿轉(zhuǎn)動軸心到桿質(zhì)心的長度 I：擺桿慣量 建立以小車加速度為系統(tǒng)輸入，以擺桿角度為系統(tǒng)輸出的被控對象數(shù)學(xué)模型。 設(shè)計或調(diào)整 PID 控制器參數(shù)，使得校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足： 調(diào)整時 間 誤差帶）%2(2 st s ? 最大超調(diào)量 %15%?p? 學(xué)生應(yīng)完成的工作： 利用設(shè)計指示書中的實際參數(shù)， 通過機理推導(dǎo)， 建立倒立擺 系統(tǒng) 的實際數(shù)學(xué)模型。 設(shè)計 或調(diào)整 PID 控制器參數(shù) ，進行閉環(huán)系統(tǒng)的仿真分析。 任務(wù)下達日期 2021 年 12 月 24 日 完成日期 2021 年 1 月 6 日 指導(dǎo)教師 （簽名） 學(xué) 生 （簽名） 目錄 1 引言 .................................. 錯誤 !未定義書簽。倒立擺系統(tǒng)作為控制理論研究中的一種比較理想的實驗手段，為自動控制理論的教學(xué)、實驗和科研構(gòu)建一個良好的實驗平臺，以用來檢驗?zāi)撤N控制理論或方法的典型方案，促進了控制系統(tǒng)新理論、新思想的發(fā)展。 (3) 不確定性。這是可以采用單電機驅(qū)動倒立擺控制系統(tǒng)的原因，也使控制系統(tǒng)的設(shè)計、控制器參數(shù)調(diào)節(jié)變得復(fù)雜。通過對倒立擺的控制，用來檢驗新的控制方法是否有較強的處理非線性和不穩(wěn)定性問題的能力。實驗建模就是通過在研究對象上加上一系列的研究者事先確定的輸入信號，激勵研究對象并通過傳感器檢測其可觀測的輸出，應(yīng)用數(shù)學(xué)手段建立起系統(tǒng)的輸入－輸出關(guān)系。在忽略了空氣流動和各種摩擦之后，可將倒立擺系統(tǒng)抽象成小車和勻質(zhì)桿組成的系統(tǒng)，如圖 21所示。 圖 22 小車及擺桿受力分析 分析小車水平方向所受的合力，可以得到以下方程 M x F b x N?? ?? ? ? （ 21） 由擺桿水平方向的受力進行分析可以得到下面等式： 222( si n )c os si ndN m x ldtN m x m l m l?? ? ? ????? ?? ?? ? ? (22) 4 合并可得： 2( ) [ c o s sin ]M m x b x m l F? ? ? ??? ? ?? ?? ? ? ? ? (23) 為了推出系統(tǒng)的第二個運動方程，我們對擺桿垂直方向上的合力 進行分析，可以得到下面方程： 222( c os )[ sin c os ]dP m g m ldtP m g m l?? ? ? ????? ?? ? ? ? （ 24） 合并得到力矩平衡方程如下： s i n cosP l N l I? ? ? ??? ? ? (25) 設(shè) ? ? ??? （ ?是擺桿與垂直向上方向之間的夾角 ）假設(shè) ?與 1（單位是弧度）相比很小，即 1??? ，則可以進行線性化近似處理： 2c o s 1 , s in , ( ) 0ddt?? ? ?? ? ? ? ?
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